DE60300759T2

DE60300759T2 - Mikrorelaiseinrichtung

Info

Publication number: DE60300759T2
Application number: DE2003600759
Authority: DE
Inventors: You Yamato-shi KONDOH; Tsutomu Hachioji-shi Takenaka
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: EP1391903A1; EP1391903B1; DE60300759D1; JP2004074514A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Mikrorelaisvorrichtung und vorzugsweise auf eine Flüssigmetall-Mikrorelaisvorrichtung.
Es gibt viele unterschiedliche Typen von elektrischen Mikrorelaisvorrichtungen und ein beliebter Typ ist das Zungen-Mikrorelais bzw. Reed-Mikrorelais, das ein kleiner mechanischer Kontakttyp einer elektrischen Mikrorelaisvorrichtung ist. Ein Zungen-Mikrorelais weist zwei Zungen bzw. Kontaktzungen auf, die aus einer magnetischen Legierung hergestellt sind, die in einem inerten Gas im Inneren eines Glasgefäßes abgedichtet ist, das durch eine elektromagnetische Treiberspule umgeben ist. Wenn kein Strom in der Spule fließt, sind die Spitzen der Zungen vorgespannt, um einen Kontakt zu unterbrechen, und die Vorrichtung ist ausgeschaltet. Wenn ein Strom in der Spule fließt, ziehen die Spitzen der Zungen einander an, um einen Kontakt herzustellen, und die Vorrichtung ist eingeschaltet.
Das Zungen-Mikrorelais weist Probleme auf, die auf eine große Größe und eine relativ große Dienstlebensdauer bezogen sind. Bezüglich des ersten Problems benötigen die Zungen nicht nur ein relativ großes Volumen, sondern verhalten sich aufgrund der Größe derselben und eines elektromagnetischen Ansprechens auch nicht gut während eines Hochfrequenzschaltens. Bezüglich des zweiten Problems bewirkt das Biegen der Zungen aufgrund eines Vorspannens und einer Anziehung eine mechanische Ermüdung, die zu einem Brechen der Zungen nach einer verlängerten Verwendung führen kann.
In der Vergangenheit wurden die Zungen mit Kontakten versehen, die aus Rhodium oder Wolfram gebildet sind, oder wurden für eine Leitfähigkeit und einen elektrischen Lichtbogenbildungswiderstand bei einem Herstellen und Unterbre chen eines Kontakts zwischen den Zungen mit Rhodium oder Gold plattiert. Diese Kontakte fielen jedoch mit der Zeit aus. Dieses Problem mit den Kontakten wurde bei einem Typ eines Zungen-Mikrorelais verbessert, das ein „nasses" Relais genannt wird. Bei einem nassen Relais wird ein flüssiges Metall, wie beispielsweise Quecksilber verwendet, um den Kontakt herzustellen. Dies löst das Problem eines Kontaktausfalls, aber das Problem einer mechanischen Ermüdung der Zungen blieb ungelöst.
In einer Bemühung, diese Probleme zu lösen, wurden elektrische Mikrorelaisvorrichtungen vorgeschlagen, die das Flüssigmetall in einem Kanal zwischen zwei Mikrorelaiselektroden ohne die Verwendung von Zungen verwenden. Bei den Flüssigmetallvorrichtungen wirkt das flüssige Metall als der Kontakt, der die zwei Mikrorelaiselektroden verbindet, wenn die Vorrichtung EIN-geschaltet ist. Das flüssige Metall ist zwischen den zwei Mikrorelaiselektroden durch einen Fluidnichtleiter getrennt, wenn die Vorrichtung AUS-geschaltet ist. Der Fluidnichtleiter ist im Allgemeinen hochreiner Stickstoff oder ein anderes derartiges inertes Gas.
Mit Bezug auf das Größenproblem bieten die Flüssigmetallvorrichtungen eine Reduzierung bei der Größe einer elektrischen Mikrorelaisvorrichtung, da Zungen nicht erforderlich sind. Ferner bietet die Verwendung des flüssigen Metalls eine längere Dienstlebensdauer und eine höhere Zuverlässigkeit.
Die Flüssigmetallvorrichtungen werden allgemein durch ein Verbinden zweier Substrate mit einem Heizer dazwischen, um das Gas zu erwärmen, hergestellt. Das Gas dehnt sich aus, um das flüssige Metall zu trennen, um eine Schaltung zu öffnen und zu schließen. Vorhergehend waren die Heizer Inline-Widerstände, die auf einem der Substrate zwischen den zwei Substraten strukturiert sind. Die Substrate waren aus Materialien, wie beispielsweise Glas, Quarz und Galli umarsenid, auf dem das Heizermaterial aufgebracht und geätzt wurde. Da lediglich ein isotropisches Ätzen verwendet werden konnte, bestand das Heizerelement aus einer Oberflächenverdrahtung. Der Hauptnachteil der Oberflächenverdrahtung besteht darin, dass eine derartige Verdrahtung schlechte Hochfrequenzcharakteristika, einen hohen Verbindungswiderstand und eine schlechte Wärmeübertragung zu dem Gas aufweist.
In jüngerer Zeit wurden aufgehängte Heizer entwickelt. Ein aufgehängter Heizer bezieht sich auf eine Konfiguration, bei der die Heizelemente positioniert sind, so dass dieselben rundherum durch das Gas umgeben sein können.
Im Allgemeinen werden die aufgehängten Heizer durch ein Platzieren eines Heizermaterials in einer strukturierten Form auf einer Opferschicht hergestellt. Die Opferschicht wird dann unter dem Heizermaterial weggeätzt, so dass das Heizermaterial im Raum aufgehängt ist. Die Vorteile aufgehängter Heizer bestehen darin, dass die Gaserwärmungseffizienz hoch ist und beinahe alles der Wärme, die durch den Heizer erzeugt wird, verwendet wird, um das Gas zu erwärmen, weil der Oberflächenbereich der Heizerfläche, der das Gas berührt, groß ist und die Tragebereiche klein sind. Folglich ist die Übertragung von Wärme auf die Trägerstruktur minimiert.
Das bevorzugte Verfahren zum Herstellen eines aufgehängten Heizers besteht darin, das Heizermaterial auf einem Siliziumsubstrat zu platzieren und dann das Siliziumsubstrat durch ein anisotropisches Ätzen zu ätzen, um das Heizermaterial zu unterschneiden.
Das Problem bei einem Verwenden von Silizium überall in einem Mikrorelais besteht darin, dass es schwierig ist, Mehrschichtsubstrate mit mehreren Schichten einer Verdrahtung zu bilden.
Es können jedoch Keramikmaterialien gebildet werden, um mehrere Schichten einer Verdrahtung bereitzustellen, und eine Oberflächenverdrahtung muss nicht verwendet werden. Kontaktelektroden können mit Verbindungsdurchgangslöchern gebildet werden. Dies ermöglicht einen niedrigen Verbindungswiderstand und günstige hohe Frequenzcharakteristika. Leider ist die Bildung eines aufgehängten Heizers an einem Keramiksubstrat problematisch und somit muss das Heizerelement auf der Oberfläche des Keramiksubstrats gebildet werden. Wenn der Heizer auf der Oberfläche des Keramiksubstrats gebildet ist, wird ein beträchtlicher Abschnitt der Wärme, die durch den Heizer erzeugt wird, direkt an das Substrat übertragen, so dass sich die Gaserwärmungseffizienz wesentlich verringert. Folglich ist es schwierig, ein schnelles Umschalten bei einer niedrigen Leistung zu erhalten.
Lösungen für diese Probleme wurden lange gesucht, aber bekannte Entwicklungen haben keine Lösungen gelehrt oder vorgeschlagen und somit haben sich Lösungen für diese Probleme Fachleuten auf dem Gebiet lange entzogen.
Die vorliegende Erfindung versucht, eine verbesserte Mikrorelaisvorrichtung zu schaffen.
Das Dokument WO 01/46975 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Mikrorelaisvorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel sieht eine Mikrorelaisvorrichtung vor, die einen Fluidnichtleiter umfasst. Ein erstes Substrat und ein zweites Substrat sind miteinander verbunden. Ein Kanal ist in zumindest einem der Substrate gebildet und weist ein flüssiges Metall in dem Kanal auf. Elektroden sind entlang dem Kanal beabstandet und selektiv durch das flüssige Metall verbindbar. Ein offenes Durch gangsloch ist in einem der Substrate gebildet und enthält den Fluidnichtleiter. Ein Heizersubstrat umfasst ein aufgehängtes Heizerelement in einer Fluidkommunikation mit dem offenen Durchgangsloch. Das aufgehängte Heizerelement ist betreibbar, um zu bewirken, dass der Fluidnichtleiter das flüssige Metall trennt. Die Mikrorelaisvorrichtung liefert ein schnelles Umschalten bei einer niedrigen Leistung in einem kleinen Gehäuse.
Bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung weisen andere Vorteile zusätzlich zu denselben oder anstelle derselben auf, die oben erwähnt sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind unten lediglich durch ein Beispiel mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Unteransicht eines Flüssigmetall-Mikrorelais gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Querschnitt der Struktur von 1 ist, genommen entlang einer Linie 2-2;
3A ein Querschnitt der Struktur von 2 ist, genommen entlang einer Linie 3A-3A;
3B ein Querschnitt der Struktur von 3A ist, genommen entlang einer Linie 3B-3B;
3C ein Querschnitt der Struktur von 3A ist, genommen entlang einer Linie 3C-3C;
4 eine Unteransicht eines Flüssigmetall-Mikrorelais gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
5 ein Querschnitt der Struktur von 4 ist, genommen entlang einer Linie 5-5;
6 eine Unteransicht eines Flüssigmetall-Mikrorelais gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist; und
7 ein Querschnitt der Struktur von 6 ist, genommen entlang einer Linie 7-7.
Unter jetziger Bezugnahme auf 1 und 2 sind in denselben eine Unteransicht eines Flüssigmetall-Mikrorelais 100 und ein Querschnitt der Struktur von 1 gezeigt, genommen entlang einer Linie 2-2, beide gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Flüssigmetall-Mikrorelais 100 umfasst ein unteres Substrat 102, das Heizersubstrate 104 und 106 aufweist, die mit der unteren Oberfläche desselben durch Abdichtharze 110 bzw. 112 verbunden bzw. gebondet sind. Die Abdichtharze 110 und 112 können ein Teflon^®-Typ-Harz oder ein Epoxydharz sein, die eine luftdichte Verbindung zwischen den Heizersubstraten 104 und 106 und dem unteren Substrat 102 bereitstellen. Das untere Substrat 102 ist wiederum mit einem oberen Substrat 108 verbunden.
Der Ausdruck „horizontal", wie derselbe hierin verwendet wird, ist als eine Ebene parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Hauptoberfläche eines Substrats definiert, ungeachtet der Ausrichtung derselben. Ausdrücke, wie beispielsweise „oberes", „unteres", „oberhalb", „unterhalb", „über" und „unter" sind mit Bezug auf die horizontale Ebene definiert.
Das untere Substrat 102 weist eine Mehrzahl von Verbindungsanschlussflächen 121 bis 127 an der unteren horizontalen Oberfläche desselben für eine Verbindung von elektrischen Drähten mit der Außenwelt auf. Die Verbindungsan schlussflächen 121 bis 128 sind elektrisch leitfähig und mit Durchgangslochleitern 131 bis 138 verbunden, die sich in dem unteren Substrat 102 befinden und sich zumindest teilweise durch dasselbe erstrecken. Die Durchgangslochleiter 133, 134 und 135 bilden die Kontaktelektroden für das Flüssigmetall-Mikrorelais 100. Die Durchgangslochleiter 131 bis 138 können aus Standardleitermaterialien sein, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, und die Durchgangslochleiter 131, 132 und 136 bis 138 können auch aus einem Flüssigmetall sein, da dieselben vollständig eingeschlossen sind. Ferner können Halbleitervorrichtungstyp-Durchgangslöcher aus Wolfram, Tantal oder Titan gebildet sein.
Das untere Substrat 102 weist ferner Durchgangslochleiter 141 bis 144 auf, die sich ebenfalls zumindest teilweise durch das untere Substrat 102 erstrecken. Ferner weist das untere Substrat 102 ein Paar von offenen Durchgangslöchern 151 und 152 in dem Bereich der Heizersubstrate 104 und 106 auf, die sich durch das untere Substrat 102 erstrecken.
In dem untere Substrat 102 sind Leiter 161 bis 164 eingebettet. Der Leiter 161 verbindet die Durchgangslochleiter 131 und 141, der Leiter 162 verbindet die Durchgangslochleiter 132 und 142, der Leiter 163 verbindet die Durchgangslochleiter 136 und 143 und der Leiter 164 verbindet die Durchgangslochleiter 137 und 144.
Das obere Substrat 108 enthält einen Hauptkanal 170, der durch Teilkanäle 171 und 172 mit den jeweiligen offenen Durchgangslöchern 151 und 152 über den Heizersubstraten 104 und 106 verbunden ist. Der Hauptkanal 170 enthält ein flüssiges Metall, wie beispielsweise Quecksilber (Hg), das durch einen Fluidnichtleiter 182 wie beispielsweise hochreinen Stickstoff oder ein anderes derartiges inertes Gas in zwei Teile getrennt ist, ein flüssiges Metall 180A und ein flüssiges Metall 180B. Die Teilkanäle 171 und 172 sind kleiner als der Hauptkanal 170 definiert, sodass das flüs sige Metall nicht in die Teilkanäle 171 und 172 eintritt, aber so dass es der Fluidnichtleiter 182 tut. Die Teilkanäle 171 und 172 können ebenfalls in dem unteren Substrat 102 gebildet sein.
Eine Masseebene 185, die optional ist, kann sich bei irgendeiner Position befinden, die eine Impedanzanpassung für eine Hochfrequenzsignalübertragung durch das Flüssigmetall-Mikrorelais 100 gestattet. Die Masseebene 185 kann an dem oberen Substrat 108 oder unter dem unteren Substrat 102 sein. Dieselbe kann über dem Hauptkanal 170 sein oder zwei getrennte Masseebenen können über und unter dem Hauptkanal 170 positioniert sein. Die Masseebene ist lediglich zu Darstellungszwecken in dem unteren Substrat 102 unter dem Hauptkanal 170 positioniert gezeigt. Die Masseebene 185 ist durch den Durchgangslochleiter 138 mit der Verbindungsanschlussfläche 128 verbunden.
Unter jetziger Bezugnahme auf 3A bis 3C ist zu sehen, dass die Heizersubstrate 104 und 106 aufgehängte Heizerelemente 201 bzw. 202 aufweisen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Polysiliziumfilm mit einer Dicke von 100 nm als das aufgehängte Heizerelement verwendet werden; es ist jedoch auch möglich, eine Metallschicht aus einem Material wie beispielsweise Platin, Nickel oder Chrom als das Heizelement zu verwenden. In diesem letzteren Fall ist es notwendig, die Metallschicht mit einem Material, z.B. Siliziumoxyd oder Siliziumnitrid, zu beschichten, das nicht mit dem Dampf des flüssigen Metalls reagiert, um einen direkten Kontakt zwischen dem aufgehängten Heizerelement und dem flüssigen Metall zu vermeiden.
Die Heizersubstrate 104 und 106 weisen jeweilige Unterschnitte 204 und 205 auf, die die aufgehängten Heizerelemente 201 und 202 von den Heizersubstraten 104 und 106 trennen. Dieser Unterschnitt kann durch ein genau gesteuertes anisotropisches Ätzen hergestellt werden, was eine genaue Regelung des Volumens des Fluidnichtleiters 182 ermöglicht, der die aufgehängten Heizerelemente 201 und 202 umgibt.
Die aufgehängten Heizerelemente 201 und 202 sind ferner von dem unteren Substrat 102 weg beabstandet und durch Vorsprünge der Durchgangslochleiter ausgerichtet, wie beispielsweise durch die Durchgangslochleiter 143 und 144, die sich von dem unteren Substrat 102 erstrecken, um das Heizersubstrat 104 von dem unteren Substrat 102 zu trennen. Das Heizersubstrat 106 ist dann durch das Abdichtungsharz 112 in Position gehalten. Um das Volumen des Fluidnichtleiters 182 überall um die aufgehängten Heizerelemente 201 und 202 herum weiter genau zu proportionieren, ist das untere Substrat 102 mit Aussparungen 206 und 208 um die offenen Durchgangslöcher 151 und 152 herum versehen.
Die unterschiedlichen Substrate können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, wie beispielsweise Silizium, Gas, Keramik oder Kombinationen derselben. Das untere Substrat 102 von 2 ist ein Beispiel einer fertiggestellten Mehrschichtstruktur.
Bei einem Herstellen von Substraten aus Keramik und Glas werden ungebrannte Materialien, d.h. „Grün-" oder „Roh-" Keramiken und Gläser, verarbeitet, um Mehrschichtstrukturen herzustellen, die bearbeitet und dann gebrannt werden. Diese Materialien wurden aufgrund der mechanischen Integrität und Fähigkeit derselben, bei einer elektrischen Schaltungsanordnung eingegliedert zu sein, verwendet. In einigen Fällen wurden dieselben aufgrund eines hohen Temperaturwiderstands, guter Hochfrequenzsignalcharakteristika oder guter Thermischer-Koeffizient-Eigenschaften verwendet.
Der Mehrschichtkeramikherstellungsprozess besteht aus einem Bilden eines Schlamms aus Keramik und Glaspulvern kombiniert mit thermoplastischen organischen Bindemitteln und Hochdrucklösungsmitteln. Der Schlamm wird mittels einer Schaberklinge auf einen Träger aufgebracht. Nach einer Verdampfung der Hochdampfdruck-Lösungsmittel und einer Entfernung von dem Träger wird ein Grünkeramikband gebildet. Das Grünkeramikband weist allgemein eine ausreichende Starrheit auf, damit dasselbe selbsttragend ist.
Eine mechanische oder eine Laseroperation kann verwendet werden, um Durchgangslöcher, Kanäle, Ausnehmungen oder andere Strukturen in dem Grünkeramikband zu bilden. Eine Grünkeramik wird bei diesem Punkt verwendet, weil dieselbe weicher als eine gebrannte Keramik und somit einfacher durch normale Herstellungswerkzeuge für eine Hochvolumenherstellung zu verarbeiten ist.
Zum Beispiel können Durchgangslöcher ohne weiteres gebohrt, gestanzt oder anderweitig in dem Grünkeramikband gebildet werden. Gleichermaßen sind andere Prozesse, wie beispielsweise Schleifen und eine Laserablation an dem Grünkeramikband ohne weiteres durchzuführen, um Kanäle oder Röhren zu bilden. Verschiedene Typen einer Laserablation können zum Strukturieren verwendet werden, wie beispielsweise Excimer-Lasern und YAG-Lasern. Ein Verwenden eines Lasers ermöglicht, dass feine Strukturen gebildet werden, aber benötigt mehr Zeit.
Dickfilmdrucktechniken können verwendet werden, um ein Leitermaterial auf dem Grünkeramikband in der Form einer schmelzbaren Metallpaste abzulegen. Die schmelzbare Metallpaste kann ferner die Durchgangslöcher und Kanäle oder Röhren füllen, um Leiterstrukturen zu bilden. Diese Leiterstrukturen ermöglichen, dass der Verbindungswiderstand niedrig ist, und gestatten eine Impedanzanpassung für eine Hochfrequenzsignalübertragung.
Eine Anzahl von Grünkeramikbändern wird aufeinander platziert und in mehreren Schichten ausgerichtet. Offene Durchgangslöcher, die sich durch eine oder mehrere Schichten erstrecken, können mit Einsätzen versehen sein, um die Laminierungskraft durch ungetragene Regionen von dem oberen Band zu dem unteren Band zu übertragen.
Die Grünkeramikbänder werden dann komprimiert und gebrannt.
Während der Komprimierung fließt die thermoplastische Komponente (z.B. Polyvinyl-Butyral) innerhalb der Grünschichten und resultiert in einer gegenseitigen Anhaftung der Grünschichten einer Konformation bzw. Anpassung der Grünschichten um die Struktur der Metallpaste herum. Zusätzlich zu einem Binden der einzelnen Grünschichten zu einer kohärenten Grünlaminatstruktur bestimmt die Laminierungsoperation die Dichte der Grünlaminatstruktur und somit die Schrumpfung während eines Brennens und die Abmessungsgenauigkeit der gebrannten Laminatstruktur. Die Grünlaminierung sollte eine einheitliche Dichte aufweisen, um eine unterschiedliche Schrumpfung während eines Brennens zu verhindern.
Ein Hochtemperaturbrennen des Grünlaminats resultiert in einer Verdampfung der organischen Komponenten und einem Sintern der kohärenten Grünlaminatstruktur zu einer monolithischen Keramik. Zu der gleichen Zeit schmilzt die schmelzbare Metallpaste zu elektrisch und mechanisch verbundenen Leitern, Elektroden und Anschlussflächen.
Die Laminierungsoperation kann beispielsweise eine Druckspannung in der Größenordnung von 3400 bis 14000 kPa (500 psi bis 2000 psi) auf die Grünlaminatstruktur auferlegen und das Brennen kann bei einer erhöhten Temperatur von näherungsweise 75°C durchgeführt werden.
Mit Bezug auf 1 wird in Betrieb durch ein Anlegen eines Stroms über die Verbindungsanschlussflächen 121 und 122 das Heizelement 201 von 2 erwärmt, was bewirkt, dass sich das Gas über dem Heizersubstrat 102 ausdehnt und durch das Durchgangsloch 151 und den Teilkanal 171 bewegt, um zu bewirken, dass sich das flüssige Metall 180A trennt, wobei sich ein mittlerer Abschnitt mit dem flüssigen Metall 180B verbindet. Dies öffnet die leitfähige Verbindung zwischen der Verbindungsanschlussfläche 123 und der Verbindungsanschlussfläche 124 und schließt die leitfähige Verbindung zwischen der Verbindungsanschlussfläche 124 und der Verbindungsanschlussfläche 125.
Umgekehrt erwärmt ein Anlegen eines Stroms über die Verbindungsanschlussflächen 126 und 127 das Heizelement 202 von 2 und bewirkt, dass das flüssige Metall 180B getrennt wird, um das Flüssigmetall-Mikrorelais 100 zu der in 1 gezeigten Position zurückzugeben.
Unter jetziger Bezugnahme auf 3A ist in derselben eine Struktur von 2 entlang der Linie 3A-3A gezeigt. Das Heizersubstrat 104 ist gezeigt, wobei das aufgehängte Heizerelement 201 über demselben positioniert ist. Es ist zu sehen, dass das aufgehängte Heizerelement 201 eine Mehrzahl von Öffnungen 301-1 bis 301-N aufweist.
Unter jetziger Bezugnahme auf 3B ist in derselben die Struktur von 3A entlang der Linie 3B-3B gezeigt. Das Heizersubstrat 104 weist das aufgehängte Heizerelement 201 auf, das über demselben positioniert ist, und das Heizersubstrat 104 weist den Unterschnitt 204 auf, sodass das aufgehängte Heizerelement 201 im Raum aufgehängt ist.
Unter jetziger Bezugnahme auf 3C ist in derselben die Struktur von 3A entlang der Linie 3C-3C gezeigt. Der Querschnitt zeigt die Öffnungen 301-1 bis 301-N, die einen freien Fluss von Gasen um das aufgehängte Heizerelement 201 herum ermöglichen würden.
Unter jetziger Bezugnahme auf 4 und 5 sind in denselben eine Unteransicht eines Flüssigmetall-Mikrorelais 400 und ein Querschnitt der Struktur von 4 entlang der Linie 5-5 gezeigt, beide gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Flüssigmetall-Mikrorelais 400 umfasst ein unteres Substrat 402, das Heizersubstrate 404 und 406 aufweist, die mit der oberen Oberfläche desselben durch Abdichtungsharze 410 bzw. 412 verbunden sind. Die Abdichtungsharze 410 und 412 können ein Harz vom Teflon^®-Typ oder ein Epoxydharz zwischen den Heizersubstraten 404 und 406 und dem unteren Substrat 402 sein. Das untere Substrat 402 ist wiederum mit einem oberen Substrat 408 verbunden.
Das untere Substrat 402 weist eine Mehrzahl von Verbindungsanschlussflächen 421 bis 427 an der unteren horizontalen Oberfläche desselben für eine Verbindung von elektrischen Drähten mit der Außenwelt auf. Die Verbindungsanschlussflächen 421 bis 427 sind elektrisch leitfähig und mit Durchgangslochleitern 431 bis 437 verbunden, die sich in dem unteren Substrat 402 befinden und sich zumindest teilweise durch dasselbe erstrecken. Die Durchgangslochverbinder 433, 434 und 435 bilden Kontaktelektroden für das Flüssigmetall-Mikrorelais 400.
Ferner weist das untere Substrat 402 offene Durchgangslöcher 451 und 452 unter den Heizersubstraten 404 und 406 und offene Durchgangslöcher 453 und 454 unter einem Hauptkanal 470 auf. Die offenen Durchgangslöcher 451 und 453 sind unten durch einen Teilkanal 471 verbunden und die offenen Durchgangslöcher 452 und 454 sind unten durch einen Teilkanal 472 verbunden. Der Teilkanal 471 ist unten durch einen Abdichtstöpsel 473 bedeckt und der Teilkanal 472 ist unten durch einen Abdichtstöpsel 474 bedeckt. Diese Struktur ist durch die Verwendung einer Keramikmehrschichtstruktur wie oben beschrieben ohne weiteres erreichbar.
Das obere Substrat 408 enthält einen Hauptkanal 470, der durch die Teilkanäle 471 und 472 mit den jeweiligen offenen Durchgangslöchern 451 und 452 verbunden ist. Der Hauptkanal 470 enthält ein flüssiges Metall, wie beispielsweise Quecksilber (Hg), das in zwei Teile getrennt ist, ein flüssiges Metall 480A und ein flüssiges Metall 480B.
In 5 ist zu sehen, dass die Heizersubstrate 404 und 406 aufgehängte Heizerelemente 501 bzw. 502 aufweisen. Die Heizersubstrate 404 und 406 weisen jeweilige Unterschnitte 504 und 505 auf, die die aufgehängten Heizerelemente 501 und 502 von den Heizersubstraten 404 bzw. 406 trennen. Die aufgehängten Heizerelemente 501 und 502 sind ferner von dem unteren Substrat 402 durch Leiteranschlussflächen beabstandet, wie beispielsweise durch Leiteranschlussflächen 504 und 505 an den Durchgangslochleitern, wie beispielsweise durch die Durchgangslochleiter 436 und 437, um das Heizersubstrat 406 zu trennen, das dann durch das Abdichtharz 412 in Position gehalten ist. Um das Volumen des Fluidnichtleiters 503 um die aufgehängten Heizerelemente 501 und 502 herum weiter genau zu proportionieren, ist das untere Substrat 402 mit Aussparungen 506 und 508 versehen.
Die Heizersubstrate 404 und 406 sind jeweils in Hohlräumen 510 und 512 in dem oberen Substrat 408 angeordnet. Da das obere Substrat 408 mit dem unteren Substrat 402 durch eine luftdichte Abdichtung verbunden ist, müssen die Abdichtungsharze 410 und 412 nicht notwendigerweise luftdicht sein.
Mit Bezug auf 4 wird in Betrieb durch ein Anlegen eines Stroms über die Verbindungsanschlussflächen 421 und 422 das aufgehängte Heizelement 501 von 5 erwärmt, was bewirkt, dass sich das Gas über dem Heizersubstrat 404 ausdehnt und durch das Durchgangsloch 551 und den Teilkanal 471 bewegt, um zu bewirken, dass sich das flüssige Metall 480A trennt, wobei ein mittlerer Abschnitt sich mit dem flüssigen Metall 480B verbindet. Dies öffnet die leitfähige Verbindung zwischen der Verbindungsanschlussfläche 423 und der Verbindungsanschlussfläche 424 und schließt die leitfähige Verbindung zwischen der Verbindungsanschlussfläche 424 und der Verbindungsanschlussfläche 425.
Umgekehrt erwärmt ein Anlegen eines Stroms über die Verbindungsanschlussflächen 426 und 427 das aufgehängte Heizele ment 502 von 2 und bewirkt, dass das flüssige Metall 480B getrennt wird, um das Flüssigmetall-Mikrorelais 400 zu der in 4 gezeigten Position zurückzugeben.
Unter jetziger Bezugnahme auf 6 und 7 sind eine untere Ansicht eines Flüssigmetall-Mikrorelais 600 und eines Querschnitts der Struktur von 6 entlang der Linie 7-7 gezeigt, beide gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Flüssigmetall-Mikrorelais 600 umfasst ein unteres Substrat 602 und ein oberes Substrat 608. Das obere Substrat 608 kann Glas sein und umfasst eine untere Schicht 609, mit deren oberer Oberfläche Heizersubstrate 604 und 606 durch Abdichtharze 610 bzw. 612 verbunden sind. Die Abdichtharze 610 und 612 können ein Harz vom Teflon^®-Typ oder ein Epoxydharz sein. Das untere Substrat 602 ist mit der unteren Schicht 609 des oberen Substrats 608 verbunden.
Das untere Substrat 602 weist eine Mehrzahl von Verbindungsanschlussflächen 621 bis 627 an der unteren Oberfläche desselben auf. Die Verbindungsanschlussflächen 621 bis 627 sind elektrisch leitfähig und über Leiter 631 bis 637 verbunden, die sich in dem unteren Substrat 602 befinden und sich zumindest teilweise durch dasselbe erstrecken. Die Durchgangslochleiter 633, 634 und 635 bilden Kontaktelektroden für das Flüssigmetall-Mikrorelais 600. Die Durchgangslochleiter 631, 632, 636 und 637 sind jeweils mit versenkten Regionen 641, 642, 643 und 644 in der unteren Schicht 609 verbunden.
Ferner weist die untere Schicht 609 versenkte Regionen auf, die offene Durchgangslöcher 651 und 652 in dem Bereich der Heizersubstrate 604 und 606 bilden. Die untere Schicht 609 enthält ferner einen Hauptkanal 670. Der Hauptkanal 670 enthält ein flüssiges Metall, wie beispielsweise Quecksilber (Hg), das in zwei Teile getrennt ist, ein flüssiges Metall 680A und ein flüssiges Metall 680B. Der Hauptkanal kann ferner eine obere und eine untere Plattierung 690 und 691 aufweisen (es ist lediglich die obere Plattierung 690 gezeigt).
Das untere Substrat 602 enthält ein Paar von Gräben, die Teilkanäle 671 und 672 von den offenen Durchgangslöchern 651 bzw. 652 unter den Heizersubstraten 604 und 606 zu dem Hauptkanal 670 bilden.
In 7 ist zu sehen, dass die Heizersubstrate 604 und 606 angebrachte aufgehängte Heizerelemente 701 bzw. 702 aufweisen. Die Heizersubstrate 604 und 606 weisen jeweilige Unterschnitte 704 und 705 auf, die bewirken, dass die aufgehängten Heizerelemente 701 und 702 von den Heizersubstraten 604 und 606 weg aufgehängt sind. Die aufgehängten Heizerelemente 701 und 702 sind ferner durch die Abdichtharze 610 und 612 von dem unteren Substrat 602 weg beabstandet.
Die Heizersubstrate 604 und 606 sind jeweils in Hohlräumen 710 und 712 in dem oberen Substrat 608 angeordnet. Da die untere Schicht 609 des oberen Substrats 608 mit dem unteren Substrat 602 durch eine luftdichte Abdichtung verbunden ist, müssen die Abdichtungsharze 610 und 612 nicht notwendigerweise luftdicht sein.
Die offenen unteren Abschnitte der Heizersubstrate 604 und 606 sind zu den offenen Durchgangslöchern 651 und 652 (wobei lediglich das offene Durchgangsloch 651 gezeigt ist) offen und durch die Teilkanäle 671 und 672 (wobei lediglich der Teilkanal 671 gezeigt ist) mit dem Hauptkanal 670 verbunden. Der Hauptkanal 670 ist mit einer oberen und einer unteren Plattierung 690 bzw. 691 benachbart zu den Durchgangslochleitern 633, 634 und 635 gezeigt. Die obere und die untere Plattierung 690 und 691 sind aus Metallen mit einer ausreichenden Benetzbarkeit, um zu ermöglichen, dass sich das flüssige Metall an die Form des Hauptkanals 670 anpasst. Dies verhindert ein Lecken eines Fluidnicht leiters 703 um das flüssige Metall, sodass die Ausdehnungskraft mit einer hohen Effizienz auf das flüssige Metall übertragen wird, und erhöht somit die Zuverlässigkeit der Bewegung des flüssigen Metalls, sodass die Zuverlässigkeit der Schaltoperation erhöht werden kann.
Mit Bezug auf 6 wird in Betrieb durch ein Anlegen eines Stroms über die Verbindungsanschlussflächen 621 und 622 das aufgehängte Heizelement 701 von 7 erwärmt, was bewirkt, dass sich der Fluidnichtleiter 703 über dem Heizersubstrat 602 ausdehnt und sich durch das Durchgangsloch 651 und den Teilkanal 671 bewegt, um zu bewirken, dass sich das flüssige Metall 680A trennt, wobei der mittlere Abschnitt sich mit dem flüssigen Metall 680B verbindet. Dies öffnet die leitfähige Verbindung zwischen der Verbindungsanschlussfläche 623 und der Verbindungsanschlussfläche 624 und schließt die leitfähige Verbindung zwischen der Verbindungsanschlussfläche 624 und der Verbindungsanschlussfläche 625.
Umgekehrt erwärmt ein Anlegen eines Stroms über die Verbindungsanschlussflächen 626 und 627 das aufgehängte Heizelement 702 von 2 und bewirkt, dass das flüssige Metall 680B getrennt wird, um das Flüssigmetall-Mikrorelais 600 zu der in 6 gezeigten Position zurückzugeben.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf Beispiele beschrieben, bei denen der Kanal im oberen Substrat vorgesehen oder definiert ist. Der Kanal kann jedoch alternativ in dem unteren Substrat oder sowohl in dem oberen als auch in dem unteren Substrat definiert sein. Die Durchgangslochleiter, die offenen Durchgangslöcher, Leiter, Elektroden, Teilkanäle und Masseebenen können gleichermaßen in dem oberen und/oder dem unteren Substrat gebildet oder definiert sein. Mikrorelais können zu den gezeigten Beispielen unterschiedlich ausgerichtet sein.
Es ist klar, dass viele Alternativen, Modifikationen und Variationen Fachleuten auf dem Gebiet angesichts der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich werden. Folglich ist es beabsichtigt, alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Variationen zu umschließen, die in den Schutzbereich der Ansprüche fallen. Alle Angelegenheiten, die bis hier im Vorherigen dargelegt oder in den zugehörigen Zeichnungen gezeigt sind, sollen in einem darstellenden und nichtbegrenzenden Sinn interpretiert werden.

Claims

Eine Mikrorelaisvorrichtung, die folgende Merkmale umfasst: einen Fluidnichtleiter (182); ein erstes Substrat (102) und ein zweites Substrat (108), die miteinander verbunden sind; einen Kanal (170), der zumindest in einem der Substrate gebildet ist; ein flüssiges Metall (180) in dem Kanal (170); Elektroden (133–135), die entlang dem Kanal (170) beabstandet sind und durch das flüssige Metall (180) selektiv verbindbar sind; ein offenes Durchgangloch (151), das in einem der Substrate gebildet ist und den Fluidnichtleiter (182) enthält; und gekennzeichnet durch ein Heizersubstrat (104), das zumindest ein aufgehängtes Heizerelement (201) in einer Fluidkommunikation mit dem offenen Durchgangsloch (151) umfasst, wobei das aufgehängte Heizerelement oder die aufgehängten Heizerelemente (201) betreibbar sind, um zu bewirken, dass der Fluidnichtleiter (182) das flüssige Metall (180) in dem Kanal trennt, wobei somit der Kontakt zwischen den Elektroden geöffnet ist.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das erste Substrat (102) zumindest eine Substratschicht und zumindest ein Verbindungsdurchgangsloch, das offene Durchgangsloch (151), einen Leiter (161), eine Elektrode (133), einen Teilkanal (171) oder eine Masseebene (185) umfasst.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die einen Teilkanal (171) umfasst, der in zumindest einem der Substrate gebildet ist, wobei der Teilkanal (171) sich zwischen dem Kanal (170) und dem offenen Durchgangsloch (151) erstreckt.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das erste Substrat (102) eine entfernte Oberfläche entfernt von dem zweiten Substrat (108) umfasst; und das Heizersubstrat (104) mit der entfernten Oberfläche des ersten Substrats (102) verbunden ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite Substrat (108) eine benachbarte Oberfläche benachbart zu dem ersten Substrat (102) umfasst; und das Heizersubstrat (104) mit der benachbarten Oberfläche des zweiten Substrats (108) verbunden ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite Substrat (108) ein Mehrschichtsubstrat ist, das eine benachbarte Schicht benachbart zu dem ersten Substrat (102) umfasst; und das Heizersubstrat (104) mit der benachbarten Schicht des zweiten Substrats (108) verbunden ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der: das zweite Substrat (108) ein Mehrschichtsubstrat ist, das eine benachbarte Schicht benachbart zu dem ersten Substrat (102) umfasst, wobei die benachbarte Schicht eine entfernte Oberfläche entfernt von dem ersten Substrat (102) umfasst; die benachbarte Schicht des zweiten Substrats (108) Leiter (161–164) umfasst und die offenen Durchgangslöcher (151, 152) in demselben gebildet sind; und das Heizersubstrat (104) mit der entfernten Oberfläche der benachbarten Schicht verbunden ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Substrat (102), das zweite Substrat (108) und das Heizersubstrat (104) jeweils zumindest Silizium, Glas oder Keramik aufweisen.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das aufgehängte Heizerelement oder die aufgehängten Heizerelemente (201) zumindest Polysilizium, Platin, Nickel oder Chrom aufweisen.
Eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest eines der Substrate (102, 108) eine leitfähige Ebene (185) benachbart zu dem Kanal (170) aufweist.